《分離技術(shù)概論》電滲析精講PPT課件

-,1,分離技術(shù)電滲析,浙江大學(xué)材料與化工學(xué)院陳歡林教授、張林博士chenhllinzhang,-,2,主要內(nèi)容,基本概念電滲析機(jī)理電滲析用膜電滲析的應(yīng)用,-,3,基本概念,-,4,什么是電滲析？,電滲析是一種電化學(xué)過(guò)程，利用膜和電位差從水溶液和其它帶荷電的混合物中分離離子物質(zhì)的膜過(guò)程。,-,5,什么是電滲析？,利用帶電離子或分子的傳導(dǎo)電流的能力；膜是導(dǎo)電的，允許帶正電荷通過(guò)的陽(yáng)離子交換膜、允許帶負(fù)電荷通過(guò)陰離子交換膜。,-,6,電滲析的發(fā)展,1890年，Ostwald揭示：若膜對(duì)陽(yáng)離子和陰離子都不能滲透，則膜對(duì)任何電解質(zhì)均不滲透；1911年，Donnan提出了描述濃度平衡的數(shù)學(xué)方程，產(chǎn)生了Donnan排斥機(jī)理；1925年，Michaelis和Fujita用均相弱酸性棉膠膜(焦木素Pyroxyline)進(jìn)行了離子選擇性膜的基礎(chǔ)研究；1940年，Wassenegger和Jaeger用酚-甲醛縮聚樹脂研制了離子交換膜；1950-1953年，Ionics公司、Rohm和Haas公司分別制備出商業(yè)化離子交換膜。,-,7,電滲析技術(shù)的特點(diǎn),無(wú)化學(xué)添加劑、環(huán)境污染??；對(duì)原水含鹽量變化適應(yīng)性強(qiáng)；操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化；設(shè)備緊湊耐用，預(yù)處理簡(jiǎn)單；水利用率高。,-,8,電滲析種類,倒極電滲析：一定時(shí)間間隔正、負(fù)極互換，能自動(dòng)清洗離子交換膜和電極表面形成的污垢、確保離子交換效率的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及水質(zhì)；填充床電滲析：將電滲析和離子交換結(jié)合起來(lái)；集中二者優(yōu)點(diǎn)，提高極限電流密度和電流效率的作用，離子交換樹脂被填充于淡化室外，被離子交換樹脂稀飯的離子在電場(chǎng)力作用下不斷遷移入濃水室，這樣離子交換樹脂不需再生，原料液中的離子可完全被除去；,-,9,電滲析種類,液膜電滲析：利用液膜來(lái)代替電滲析裝置中的固態(tài)粒子交換膜，對(duì)于濃縮和提純貴重金屬具有高效性；高溫電滲析：進(jìn)料為高溫溶液，降低了溶液粘度，提高擴(kuò)散速率，增大溶液和膜的電導(dǎo)，從而提高了允許密度，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力降低動(dòng)力消耗；雙極膜電滲析：雙極膜是由陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜以及中間界面親水層組成，當(dāng)在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓時(shí)，電荷通過(guò)離子進(jìn)行傳遞，如果沒(méi)有離子存在，則電流將由水解離出的氫離子和氫氧根離子傳遞。,-,10,卷式電滲析器,-,11,填充床電滲析器,-,12,雙極膜電滲析,A為陰膜，B為雙極膜，C為陽(yáng)膜,-,13,電滲析機(jī)理,-,14,電滲析與反滲透,-,15,電滲析與反滲透,不同點(diǎn)：反滲透過(guò)程，水是在低壓下透過(guò)膜，必要能耗是水分子透過(guò)膜在通道中摩擦引起的，表明與原水濃度無(wú)關(guān)；電滲析過(guò)程，是離子透過(guò)膜，從淡水側(cè)遷移到濃水側(cè)，必要能耗是離子透過(guò)膜通道中摩擦引起的，與原水濃度成正比。,-,16,電滲析膜對(duì)結(jié)構(gòu)圖,-,17,離子膜內(nèi)外離子平衡,-,18,膜產(chǎn)品及膜骨架分類,-,19,離子膜的主要技術(shù)指標(biāo),-,20,脫鹽室中液體流路尺寸,-,21,普通電滲析工藝過(guò)程,-,22,硬水的軟化的陽(yáng)離子電滲析,-,23,檸檬汁減酸陰離子膜電滲析,-,24,氨基酸電滲析過(guò)程,-,25,電滲析中的傳遞現(xiàn)象,-,26,電滲析中的傳遞,a.反離子遷移，也即為與膜上固定離子基團(tuán)電荷相反的離子的遷移。b；同名離子的迂移，也即為與膜上固定離子(基團(tuán))電荷相同的離子的遷移。c電解質(zhì)的滲析，這種滲析主要由于膜兩側(cè)濃水室與淡水室的濃度差引起的，使得電解質(zhì)由濃水室向淡水室擴(kuò)散。d水的滲透，隨著電滲析的進(jìn)行，淡水室中水含量逐漸升高，由于滲透壓的作用，淡水室中的水會(huì)向濃水室滲透。e水的分解，這是由于電滲析過(guò)程中產(chǎn)生濃差極化，或中性水離解成OH-和H+所造成，控制濃差極化可防止這種現(xiàn)象產(chǎn)生。f水的電滲析，由于離子的水合作用，在反離和同名離子遷移時(shí)，會(huì)攜帶一定的水分子遷移。g壓差滲漏，由于膜兩側(cè)的壓力差，造成高壓側(cè)溶液向低壓側(cè)滲漏。,-,27,電流密度與極限電流密度,-,28,WILLSONEQUATION,實(shí)際操作電流密度,-,29,極限電流密度的測(cè)定,-,30,極限電流的檢測(cè),電流電壓法,-,31,某些類型隔板的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),-,32,不同水型的水力常數(shù)、m、n值,-,33,電流效率電流效率表示電滲析過(guò)程中電流利用程度,式中，法拉第常數(shù)F為26.8?？帑}水脫鹽：電流效率一般為90-95%海水脫鹽：為70-85%。,-,34,出口濃度計(jì)算,式中，ki、n為Wilson常數(shù)。,-,35,極限電流下的脫鹽率,當(dāng)電滲析器確定后，d、L為常數(shù)，處理水型確定后，ki、n和也是常數(shù).,-,36,經(jīng)驗(yàn)脫鹽率計(jì)算式,不同水型的經(jīng)驗(yàn)常數(shù),-,37,脫鹽能耗,式中，WN為電滲析遷移單位克當(dāng)量電解質(zhì)所需能耗,kw.h/NQd為一個(gè)淡水隔室的流量L/s；I為電流(mA)；RS為N對(duì)膜對(duì)的總電阻。,-,38,膜對(duì)電壓計(jì)算,式中UP為單位膜對(duì)電壓降（V）；k、為與處理水型有關(guān)的常數(shù)，對(duì)碳酸氫鹽水型分別為0.065、0.1589、0.67。,-,39,膜堆電壓,膜堆電壓即為加在膜堆兩端的電壓，由N對(duì)單位膜對(duì)電壓構(gòu)成。膜堆電壓與極區(qū)電壓之和為電滲析器總電壓，即式中，為極區(qū)電壓（V），極區(qū)電壓包括引出線與電極之間的接觸電位、電極本身的電壓降、電極與極水之間的電極電位及極水和極膜的電阻等形成的電壓降。,-,40,膜對(duì)電阻,式中，RP為單位膜對(duì)電阻；a1/Ca為濃、淡水隔室的當(dāng)量平均濃度；a2項(xiàng)為溶液電阻；a3為膜電組項(xiàng)；a3Ca為校正項(xiàng)，處理低濃度水時(shí)可忽略不計(jì)。,用DSAII-1型電滲析器處理碳酸氫鹽水型時(shí)，,-,41,水泵功率的三種計(jì)算,式中，Q為水泵流量（m3/s）；為流體密度(kg/m3)；為水泵效率；為傳動(dòng)效率；K為選用電動(dòng)機(jī)安全系數(shù)，通常取1.1-1.2。,-,42,液體在各種組裝形式電滲析器中的流動(dòng),(a)一級(jí)一段并聯(lián)(b)二級(jí)一段并聯(lián)(c)一級(jí)二段串聯(lián)(d)二級(jí)二段串聯(lián),-,43,一次連續(xù)脫鹽式,C-濃縮室；D-脫鹽室,-,44,部分循環(huán)連續(xù)脫鹽式,C-濃縮室；D-脫鹽室,-,45,間歇（循環(huán)）脫鹽式,C-濃縮室；D-脫鹽室,-,46,電滲析級(jí)數(shù)計(jì)算,式中,n為脫鹽級(jí)數(shù);fP為單級(jí)脫鹽率.,-,47,多級(jí)部分循環(huán)連續(xù)式脫鹽過(guò)程串聯(lián)級(jí)數(shù)與產(chǎn)品脫鹽比的關(guān)系,淡水濃度及處理量表示，式中，CF、CP分別為料液及產(chǎn)品濃度，QR、QF分別為脫鹽室內(nèi)循環(huán)流量及進(jìn)料流量。,-,48,膜對(duì)數(shù)（面積）計(jì)算,各脫鹽級(jí)采用等流速運(yùn)行，任何兩級(jí)的電流密度之比等于該兩級(jí)淡水對(duì)數(shù)濃度之比，,-,49,電滲析的濃差極化現(xiàn)象,注：濃差極化總是發(fā)生在淡水室,-,50,倒極電滲析（EDR)工藝流程,-,51,雙極膜及其水離解原理,-,52,雙極膜電滲析過(guò)程示意圖,-,53,離子交換膜,-,54,離子交換膜的分類,按結(jié)構(gòu)和制備方法分：均相膜通過(guò)功能單體聚合而制備；異相膜通過(guò)熔壓離子交換樹脂和顆粒聚合物，或通過(guò)在溶液中分散離子交換樹脂或熔融聚合物而制備。,-,55,離子交換膜的制備,單體聚合或縮聚：其中至少有一種單體必須含有一種自身為或能變成陽(yáng)離子或陰離子的基團(tuán)；在固化膜中引入陰離子或陽(yáng)離子成分；將陰離子或陽(yáng)離子引入高分子，然后制膜。,-,56,單體的聚合和縮聚,酚與甲醛縮聚,-,57,單體的聚合和縮聚,苯乙烯與二乙烯苯聚合，隨后磺化或胺化,-,58,單體的聚合和縮聚,苯乙烯與二乙烯苯聚合，隨后磺化或胺化,-,59,陰離子或陽(yáng)離子引入固化膜,對(duì)于將陰離子或陽(yáng)離子引入預(yù)型膜，單體可能含有交聯(lián)劑或通過(guò)輻射技術(shù)將單體接枝到預(yù)型膜上。,-,60,陰離子或陽(yáng)離子引入固化膜,陽(yáng)離子交換膜的制備,-,61,陰離子或陽(yáng)離子引入固化膜,陰離子交換膜的制備,-,62,陰離子或陽(yáng)離子基團(tuán)引入高分子鏈,聚砜磺化反應(yīng),-,63,異相離子交換膜的制備,異相膜含有細(xì)小的膠狀離子交換樹脂粒子，粒子包埋在膠合物中(聚乙烯、苯酚樹脂、聚氯乙烯等)。將離子交換樹脂顆粒壓延成惰性塑性膜片；干態(tài)膜壓形成惰性膜片的高分子和離子交換樹脂顆粒，再將膜壓塊碾碎；將離子交換顆粒分散在能形成膜的高分子溶液中，再將溶液蒸發(fā)，制得離子交換膜；將離子交換樹脂顆粒分子在部分聚合混合高分子單體中，然后進(jìn)行聚合反應(yīng)。,-,64,特殊離子交換膜,一價(jià)離子選擇滲透膜NeoseptaCMS一價(jià)陽(yáng)離子選擇膜；NeoseptaACS一價(jià)陰離子選擇膜。Tokuyama和Soda在海水脫鹽過(guò)程中開發(fā)而得。,-,65,特殊離子交換膜,質(zhì)子選擇滲透陽(yáng)離子交換膜：在膜表層涂覆上特殊的陽(yáng)離子荷電層，提高膜對(duì)氫離子具有良好的滲透性。高質(zhì)子截留的陰離子交換膜：采用傳統(tǒng)的離子交換膜，由于質(zhì)子泄漏，電滲析無(wú)法回收酸。,-,66,特殊離子交換膜,抗污染的陰離子交換膜由于膜污染的緣故，陰離子交換膜比陽(yáng)離子交換膜允許的電流強(qiáng)度小。當(dāng)陰離子很小時(shí)，能進(jìn)入膜內(nèi)，膜被堵塞，膜的電遷移性能很差，可以通過(guò)調(diào)節(jié)膜的交聯(lián)度和高分子網(wǎng)絡(luò)中交聯(lián)體的鏈長(zhǎng)來(lái)提高陰離子交換膜對(duì)大有機(jī)酸的滲透性。,-,67,特殊離子交換膜,抗污染的陰離子交換膜,-,68,特殊離子交換膜,碳氟化型陽(yáng)離子交換膜為了克服碳?xì)浠衔锬け谎趸瘎┭趸纸猓央x子交換膜用于氯堿工業(yè)中，DuPont公司開發(fā)出的該類膜。,-,69,特殊離子交換膜,碳氟化型陽(yáng)離子交換膜制備方法,-,70,特殊離子交換膜,耐堿的陰離子交換膜陰離子交換膜在強(qiáng)堿中的穩(wěn)定性較差：因?yàn)殛庪x子交換膜的堿穩(wěn)定性是由引入的荷正電基團(tuán)對(duì)-OOH腐蝕的穩(wěn)定性所控制。,-,71,特殊離子交換膜,耐堿的陰離子交換膜制備方法,-,72,電滲析的應(yīng)用,-,73,電滲析的應(yīng)用,-,74,電滲析苦咸水淡化,當(dāng)原水含量低于5000ppm，電滲析與反滲透、多級(jí)閃蒸相比最為經(jīng)濟(jì)。電滲析能將鹽液濃縮到較高的程度(18-20wt%)而不影響過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。,-,75,電滲析食鹽生產(chǎn),采用電滲析將海水中的NaCl濃縮到200g/L再進(jìn)行蒸發(fā)。目前安裝膜面積達(dá)到了500000m2，產(chǎn)量為350000t/y。技術(shù)關(guān)